平面磨削温度及其对表面质量影响的实验研究.pdf

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表面质量 磨削温度 与实验研究 平面磨床 平面磨削及 磨削温度对 的影响 表面质量和 平面磨床的 的实验研究 的表面 磨削的 平面磨削 磨削温度的实验研究 实验研究 磨削温度的 磨 削温度的 影响磨削表面质量
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中国机械工程第19卷第8期2008年4月下半月 平面磨削温度及其对表面质量影响的实验研究 周志雄 毛 聪 周德旺 任莹晖 湖南大学,长沙,410082 摘要:采用热电偶和三向测力仪分别测量了不同磨削条件下接触区的温度和力,并使用电子扫描显 微镜和表面轮廓仪对已磨表面形貌和粗糙度进行了观测。实验表明,磨削参数对磨削温度有很大影响, 同时磨削温度和实际接触长度相互影响。从切屑的形成机理和变形状态的角度出发,分析了顺磨时磨 削温度高于逆磨时磨削温度的原因。讨论了磨削温度同已磨表面形貌及粗糙度之间的关系,结果发现, 当磨削温度不足以使已磨表面出现明显烧伤时,磨削温度对表面粗糙度值的影响不大。 关键词:磨削过程;接触区域;磨削温度;表面质量 中图分类号:TG580 文章编号:1004—132X(2008)08—0980—05 Experimental Investigation of Grinding Temperature and Its Effects Oil Surface Quanty in Surface Grinding Zhou Zhixiong Mao Cong Zhou Dewang Ren Yinghui Hunan University,Changsha,410082 Abstract:The grinding temperature distribution and the grinding forces within the contact zone were measured by using a thermoeouple and a 3一a】(is piezoelectric dynamometer,respectively.The morphologies of the ground workpiece surfaces were observed by a scanning electron microscope(SEM).A Talysurf was used tO measure the surface roughness of the ground surface.It iS found that the grinding parameters have serious effects on the grinding temperature,and the grinding temperature significantly interacts with the contact length.From the viewpoint of the generating mechanism and deformation state of chips,it is analyzed that the temperature of down grinding is higher than that of up grinding.The relation between the grinding tempera— ture and the morphology of the ground surface was discussed,as well as the relation between the grinding tam— perature and the surface roughness of the ground surface.The grinding temperature has little effect on the sur- face roughness of the ground surface,provides that the grinding temperature is not high enough tO cause an ev— ident burnout on the ground surface. Key words:grinding process;contact zone;grinding temperature;surface quality 0 引言 磨削过程中,磨削比能很大,且绝大部分能量 转化为磨削热,使磨削区的温度急剧升高m 21。 产生的高温对砂轮磨粒的切削性能有很大的影 收稿日期:2007—04一lO 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675063) 响,同时引起工件表层出现各种形式的热损伤,如 铁基材料的烧伤、二次回火、金相组织转变引起的 再次硬化、白层的出现、有害的表层拉应力和裂纹 等,造成工件抗腐蚀性能和抗疲劳强度大为降低, 严重影响零件质量和使用寿命口“]。磨削温度直 接影响工件的表面加工质量、加工精度和加工效 率。因此,对其进行研究是磨削加工研究中一个 back and Hip Symptoms[J-].Applied Ergonomics, 2002,33:139-146. Panagiotopoulou G,Christoulas K,Papanckolaou A。et a1.Classroom Furniture Dimensions and An— thropometrie Measures in Primary School[J].Ap— plied Ergonomics,2004,35:121—128. 刘肖健,余随怀,陆长德.产品复杂曲面人机工程学 设计研究[J].计算机应用研究,2004.21(12):36—38. 刘新丽,余随怀,陈登凯,等.基于人机尺寸驱动的 座椅设计系统[J].计算机工程与应用,2005.41 (13):111-113. 朱心雄.自由曲线曲面造型技术[MI.北京:科学出 版社,1999. 刘肖健,李桂琴,景韶宇,等.基于遗传算法的产品 ·980· 人机CAD研究[J].计算机工程与应用,2003,39 (33):35-38. [16]柴春雷,黄琦,董占勋,等.面向家电产品的人机工 程分析与评价系统[J].计算机辅助设计与图形学 学报,2006.18(4):580—584. [17]徐孟,孙守迁,潘云鹤.面向工作空间设计的虚拟 人体模型[J].中国机械工程,2006,17(8):836— 840. (编辑苏卫国) 作者简介:列音健,男,1972年生。浙江工业大学艺术学院工业 设计系讲师、博士。研究方向为计算机辅助工业设计与人机工程 学。孙守迁,男,1963年生。浙江大学计算机学院现代工业设计 研究所所长、教授、博士研究生导师。 I=I 幻 胡 幻 明 n l=l 口 n 口 万方数据 平面磨削温度及其对表面质量影响的实验研究——周志雄 毛 聪周德旺等 非常重要的部分。 对于磨削温度测量及其对表面质量影响的研 究,国内外学者已经做了很多工作,提出了许多假 说和理论模型,使用了许多测量方法并获得了大 量的实验数据[3_6]。然而,磨削区内能量积聚严 重,且从时间上和空间上近工件表面的温度梯度 很大,造成磨削区温度分布非常复杂,所以直到现 在,还有一些问题和现象没有得到合理的解释。 本研究采用热电偶法测量平面磨削时砂轮与 工件接触区的磨削温度和接触长度,使用三向压 电晶体测力仪测量磨削力,用电子扫描显微镜和 表面轮廓仪观测已磨表面形貌和表面粗糙度。然 后研究了加工参数对磨削温度的影响,探讨了磨 削温度同接触长度之间的关系。根据切屑的形成 机理和变形状态,分析了顺磨与逆磨这两种不同 磨削状态磨削温度存在差异的原因。最后,讨论 了磨削温度对工件已磨表面形貌及粗糙度的 影响。 1 实验 磨削实验是在超精密卧轴平面磨床 MGK7120×6上进行的。选用陶瓷结合剂氧化 铝砂轮(WA46)作为实验用砂轮。用单粒金刚石 笔修整砂轮,修整后砂轮外圆周径向跳动小于 1肛m。在工件剖分面事先加工的沟槽中夹入一根 直径为0.1mm的金属铂丝,金属铂丝用厚度为 0.02ram左右的云母片绝缘,铂丝作为一个电极, 工件作为另一个电极,形成热电偶。工件及夹具 固定在压电晶体测力仪(Kistler一9257B)上。工 件一经磨削,接触区工件和砂轮的塑性变形以及 磨削高温的作用,金属铂丝的顶端与工件相互搭 接或焊在一起形成热电偶接点,回路导通,产生热 电信号,根据工件材料与铂丝的温度标定,将热电 信号的电压值转换成磨削温度值,实验装置见 图1。 图1 实验装置 根据法向磨削力信号持续时间及工件长度可 以测量出工件的速度口。‘71。利用砂轮一热电偶的 接触时间r和工件速度可,,可计算出工件一砂轮 实际接触长度 L,一翻。 (1) 将磨削后的试件放入超声波清洗机中用无水 丙酮清洗15rain,去除试件表面的污物。将清洗、 干燥后的试件放人电子扫描显微镜(JSM一5610) 观察室中,观察已磨表面形貌。在垂直磨削方向, 采用表面轮廓仪(Hommel·Werke T8000)测量 已磨工件的表面粗糙度。本次实验条件见表1,每 次实验次数为三次,取其平均值进行讨论。表1 中,口。为修整深度,S。为修整进给量。 表1 平面磨削实验条件 实验用砂轮 WA46 砂轮直径(mm) 200 工作台速度(m/s) 0.0Z,0.05,0.1 工件材料 45钢 切深(“m) 3,5,10,15,20,25 砂轮速度(m/s) 31.4,20 磨削状态 干磨 修整条件 口d一0.02mm,Sa=0.2ram/卷。修整4次 2 温度实验结果与分析 2.1 磨削参数对磨削温度的影响 通过单因素实验,得到在多种砂轮速度和工 件速度下切深与磨削区表面最高温度值的关系, 如图2所示。由图2可知,最高磨削温度£。,是随 着切深口。、砂轮速度仉及工件速度钉,的增大而上 升的,但各自的影响程度有所不同。通过多元回归 分析,磨削区表面最高温度与切深、砂轮速度及工 件速度的关系可表示为 £。,=270.86ao 2”识‘”63哦”“ (2) 0 5 10 15 ZO Z5 切深ap/pm 1.w一0.1m/s,u=31.4m/s 2.%一0.1ra/s,q=20m/s 3.%一0.05m/s,%=31.4m/s 4.%=0.05m/s,%=20m/s 5.%=0.02m/s,%=31.4m/s 6.%=0.02m/s,%=20m/s 图2 最高磨削温度与磨削参数的关系 从式(2)可知,对磨削温度影响最大的参数 是切深a。:随着切深的增大,工件磨削区表面最 高温度升高。这是由于切深增大,磨削过程中的切 削变形力及摩擦力均随之增大,导致磨削温度升 高。影响磨削区表面温度的第二个因素是砂轮速 · 98】 · 0 0 0 O 0 O O 跖 ∞ 蝎 如 拍 {;; ;8 p\;~型赠品雠褪嚼 万方数据 中国机械工程第19卷第8期2008年4月下半月 度仉:随着砂轮速度增大,最高磨削温度升高。因 为砂轮速度增大,单位时间内工作磨粒数增多,磨 屑分割得更细,同时产生耕犁及滑擦作用的磨粒 数增多,导致摩擦加剧,产生的热量增多,从而磨 削温度升高。工件速度钉,是影响磨削区表面温度 的第三因素:随着工件速度的提高,工件表面温度 升高。这归因于工件速度的提高增大了单颗磨粒 最大未变形切屑厚度,从而增大了热源强度,引起 磨削温度上升。 2.2 磨削温度与接触长度的相互作用 磨削区温度跟接触长度相互关联、相互影响。 如接触区零件表面层的温度分布受接触长度和磨 削变形过程的影响,同时磨削区温度的高低也会 改变磨削区砂轮及工件的弹塑性变形的大小,从 而影响接触长度。对实际接触长度L,产生影响的 磨削参数主要包括切深n。、等效砂轮直径d。、工 件速度口。、砂轮速度口。等。其中,切深对实际接触 长度产生的影响主要包括两个部分:①切深增大 导致几何接触长度L。增大,故实际接触长度增 大;②切深增大引起磨削力和磨削温度改变,从 而磨削区变形大小改变,则实际接触长度发生变 化。因此,本文在讨论磨削温度与接触长度的相互 作用时,将实际接触长度L,与几何接触长度L。 的差值Ld作为研究对象,La值排除了因几何接触 状态的不同而导致实际接触长度变化的因素,该 值只与磨削力和磨削温度等加工因素有关。在不 同工件速度下,接触区最高磨削温度与接触长度 差Ld的关系见图3。图3中,砂轮速度饥一 31.4m/s,有效砂轮直径d,=200mm。Lf的定义 见式(1),L。的定义为 L。一瓜 (3) l邑 j j4|j 2· 憾 业 援1. 撼 250 350 450 550 最高磨削温度f。。/℃ 1.‰=0.1m/s 2.如一0.05m/s 3.如一0.02m/s 图3 最高磨削温度与接触长度差的关系 图3中每条曲线两侧对应点的切深从左至右 依次为3pm、5弘m、10sm、159m、20肛m、、25pm。由 图3可知,随着切深的增大,磨削区最高磨削温度 £。。升高,其对应的接触长度差值Ld增大,而且, ·982· 在相同的最高磨削温度下,工件速度提高,接触长 度差值La增大。 磨削温度对接触长度的影响,可以从以下几 个方面解释:①磨削区温度升高,引起工件材料 软化加剧,在相同磨削力作用下,磨削区工件表面 变形增大,故实际接触长度增大;②磨削区温度 升高,导致砂轮的变软程度增大,磨粒的力学性能 和结合剂的粘接强度降低,磨削力相同时,磨削区 砂轮的等效半径增大,引起实际接触长度增大;③ 在磨削过程中,磨削区温度引起工件热膨胀,导致 材料去除厚度大于砂轮的实际切深,如图4所示, 而几何接触长度是根据砂轮有效直径和材料去除 厚度计算得来,故从这个角度上看,几何接触长度 增大了。在磨削加工中,因素①和因素②起主导 作用,所以实际接触长度大于几何接触长度,而且 随着磨削温度的增大,两者的差值更大。 B 醵 监 篮蠛d糍猡, 稍 荽 # ====:xt蕾jZ:!:!::/ 一如—————√,一l、’、、———一 图4 接触区局部热膨胀示意图 同样,接触长度的大小也在很大程度上影响 磨削温度的高低。接触长度增加时,冷却液难以进 入接触区,通过冷却液带走的热量则显著减少。同 时,接触长度增大,工件热传递的路径增长,磨削 区的热量很难散发出来,引起磨削区温度升高。 2.3 磨削温度与磨削状态的关系 图5显示了在不同磨削参数下,顺磨与逆磨 的最高磨削温度值。由图5可知,只要其磨削参数 相同,顺磨时磨削区的温度总是比逆磨时的大,这 说明顺磨和逆磨这两种磨削过程的热效应是不相 同的。本研究把砂轮的平面磨削比拟成有大量刀 刃的圆柱铣刀进行平面卧铣,如图6所示。以下从 切屑的形成机理、变形状态,以及砂轮与工件的接 触状态来分析造成顺磨和逆磨温度存在差异的 原因。 首先,由于工件运动方向不同,顺磨时的磨粒 运动轨迹比逆磨时的短,切屑的纵剖面呈厚而短 的形状,而逆磨时呈细而长的形状。这一现象说明 顺磨与逆磨之间单颗磨粒的平均未变形切屑厚度 不同,这可以从Kaczmarek介绍的平面磨削单颗 磨粒的平均未变形切屑厚度公式得到证实[8]: 。. 口f_hm=—等等z^/孚 (4) 万方数据 平面磨削温度及其对表面质量影响的实验研究——周志雄 毛 聪周德旺等 p 、、 i q 越 赠 寰 懈 握 皤 1.口。=0.1m/s,顺磨 2.7./,=0.1m/s,逆磨 3.v.=0.02m/s,顺磨4.%=0.02m/s,逆磨 图5 磨削温度与磨削状态的关系 承 、 } .◆、芯. (a)顺磨 (b)逆磨 图6 顺磨和逆磨的磨粒切削轨迹及切屑形状 式中,^。为单颗磨粒的未变形切屑厚度;B。为砂轮工作 宽度;B为砂轮宽度;f为砂轮工作面上磨粒间的平均距 离,正负号分别指逆磨和顺磨: , 由于顺磨时磨粒运动轨迹比逆磨时短,单颗 磨粒的平均未变形切屑厚度比逆磨大,而且顺磨 时磨粒的实际负前角也比逆磨大,因此顺磨时切 屑的变形比逆磨时的大,故顺磨的磨削力大于逆 磨。磨削力越大,比磨削能就越高,势必产生更多 的热量,故从该角度分析可知顺磨的磨削温度比 逆磨高。 其次,从图6·还可以看出,顺磨时,磨粒一进 入磨削区就开始进行切削,所形成的磨屑要经过 整个磨削区后才排出。磨屑上的热量在经过磨削 区时,会进一步提高磨削区温度。而且这些磨屑较 为粗大,因此排屑比较困难。逆磨时,磨粒可能要 经过滑擦和耕犁后才产生磨屑,磨屑留在磨削区 内的时间较短,前面的阻力也较小,磨屑容易排 出,因此逆磨时温升较小。 第三,顺磨时,有效磨粒产生的磨屑如同一个 斜楔向磨削区挤压,磨屑会被挤入砂轮气孔较深 位置,磨屑的变形则更大,其发热量进一步增加。 而逆磨时,由于磨削区出口较为空旷,磨屑受到的 挤压程度较小,故产生的热量较少,因此,逆磨时 温度较低。 2.4 磨削温度与砂轮热属性的关系 Rowe等邸3利用氧化铝砂轮和CBN砂轮进 行了磨削实验。发现在适当的砂轮修整条件下, 当磨削参数相同时,用CBN砂轮磨削所需要的磨 削比能大于氧化铝砂轮,而CBN砂轮磨削后工件 表面温度却低于氧化铝砂轮,磨削区最高温度与 切深的关系如图7所示。由于两类砂轮磨削时所 测得的接触长度很接近,因此不能用工件表面热 流的高、低来进行解释,而是由于CBN磨粒导热 性能好,通过砂轮带走的热量较多,从而降低了磨 削区工件的表面温度。 p\ i - 型 赠 襄 恤 恒 峰 图7 氯化铝砂轮和CBN砂轮磨削温度对比E6] 3 磨削温度对工件表面质量的影响 当磨削区某一区域温度达到某一临界温度值 时,就会使工件表面组织发生变化,出现因烧伤而 引起的表面色斑。磨削过程根据已磨表面色斑的 颜色深浅通常可以分为正常磨削(无烧伤色斑)、 非正常磨削(有明显烧伤色斑),以及介于两者之 间的过渡磨削(略带浅黄色)。图8为在不同磨削 温度下已磨表面的SEM图像。图8a中测得试件 的最高磨削温度为260℃,观察到已磨表面没有 烧伤色斑,属于正常磨削。可见,已磨表面主要是 由磨粒切刃同工件表面相互作用,产生的划痕叠 加而创成,划痕两侧塑性变形涂敷层很少,表面纹 理很平滑、光洁。图8b中,试件的最高磨削温度 为390℃,已磨表面略带有浅黄色色斑,属于过渡 磨削。该表面形貌比较复杂,划痕两侧塑性变形 涂敷层增多。图8c是带褐色回火色斑的试件已 磨表面SEM图像,其最高磨削温度为550℃,此 时,工件已磨表面出现明显的烧伤现象。可以看 到,随着磨削区最高温度的进一步升高,划痕两侧 的塑性变形涂敷层增多,已磨表面形貌更加凌乱, 出现因磨粒断裂而造成的切削中断并在工件表面 留下凹坑。 从上述情况可见,当磨削区温度升高到一定 程度时,磨削区工件材料的塑性变形明显变大,导 致工件材料与磨粒之间出现焊接现象,工件材料 粘附在磨粒上,在磨削力和磨削振动的作用下,粘 附在磨粒上的金属颗粒会重新粘结到工件上,从 而会引起划痕两侧塑性变形涂敷层大量出现,表 面形貌变得错综复杂。 ·983· 万方数据 中国机械工程第19卷第8期2008年4月下半月 图8 工件已磨表面的SEM图像 图9所示为已磨 表面粗糙度R口与磨削量 区最高磨削温度的关基 系。由图9可知,磨削篓 区最高磨削温度越高,暴 已磨表面粗糙度值越 大。磨削温度较低时, 磨削温度对粗糙度值 的影响较小,然而,当 图9 表面粗糙度与 最高磨削温度的关系 磨削区温度升高到一定程度,工件表面出现烧伤 现象时,随着磨削区温度的进一步升高,粗糙度值 增大的幅度急剧变大。这表明,磨削区温度越高, 磨粒与工件材料之间的粘附现象和焊接现象更为 显著,而当磨削区温度不足以达到工件表面烧伤 时,磨削区温度对已磨表面形貌及粗糙度的影响 不大。这一发现对在磨削加工中尽可能地提高磨 削效率具有重要意义。 4 结论 (1)随着切削深度、砂轮速度和工件速度的增 大,磨削温度升高。 (2)当磨削区温度升高时,砂轮和工件软化加 剧,塑性变形增大,故砂轮与工件的实际接触长度 增大。同样,接触长度增大使得磨削区散热条件 ·984· 恶化,引起磨削温度升高。 (3)顺磨、逆磨时切屑的形成机理及变形状 态、砂轮与工件的接触状况、传热及散热条件等均 不相同,造成两种磨削状态的热效应不同,顺磨时 磨削区温度较高。 (4)磨削区温度的大小对已磨表面形貌及表 面粗糙度有很大的影响。但是,当磨削区温度不 足以达到表面烧伤时,磨削区温度对已磨表面形 貌及粗糙度的影响不大。 参考文献: [13赵恒华,蔡光起,李长河.高效深磨中磨削温度和表 面烧伤研究I-J].中国机械工程,2004,15(22):2048- 2051. 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